發(fā)布時(shí)間：2014-07-28 18:40

　　1 彈條是軌道結(jié)構(gòu)的重要部件，其有效與否直接關(guān)系到行車的安全。它主要利用彈性變形時(shí)所儲(chǔ)存的能量起到緩和機(jī)械上的震動(dòng)和沖擊作用，在動(dòng)荷載下承受長(zhǎng)期的、周期性的彎曲、扭轉(zhuǎn)等交變應(yīng)力。某單位生產(chǎn)的彈條為單趾彈簧扣件PR彈條，其結(jié)構(gòu)型式如圖1所示，設(shè)計(jì)彈程為14.1mm，安裝時(shí)彈條穿入鐵墊板的長(zhǎng)度為72～76mm，材質(zhì)為60Si2Mm熱軋彈簧鋼，在某地鐵線路高架橋彎曲段使用過程中某批次彈條中共有55根出現(xiàn)斷裂。
　　（a）正視圖（b）俯視圖
　　圖1彈條結(jié)構(gòu)型式
　　2 檢驗(yàn)及分析
　　選取8組斷裂樣品分別進(jìn)行了化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)和硬度測(cè)定。
　　2.1 化學(xué)成分分析
　　采用IRIS Intriped ICP發(fā)射光譜儀，紅外C、S測(cè)定儀等儀器設(shè)備，測(cè)定斷裂樣品的化學(xué)成分，其中C、S、Si、P、Mm元素的含量見表1。從表中可以看出，彈條中上述有害元素的含量均在國(guó)標(biāo)（GB/T1222-1984）規(guī)定的范圍之內(nèi)。
　　表1彈條化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果
　　元素CSSiPMn
　　實(shí)測(cè)值0.56～0.610.004～0.0161.83～1.980.007～0.0190.71～0.78
　　GB/T1222-19840.56～0.64≤0.0351.50～2.00≤0.0350.60～0.90
　　2.2 金相檢驗(yàn)
　　采用GX金相顯微鏡，對(duì)斷裂樣品進(jìn)行金相組織檢測(cè)。沿?cái)嗔鸭�橫截面取金相試樣，磨制、拋光切片橫斷面，達(dá)到鏡面光潔度；然后用2～4%的硝酸酒精溶液侵蝕，制成金相試樣在GX71金相顯微鏡下觀察，以最差視場(chǎng)作為評(píng)定結(jié)果。檢驗(yàn)結(jié)果表明，彈條金相組織為均勻回火屈氏體+微量（少量）貝氏體+微量鐵素體，符合彈條技術(shù)要求。部分試樣金相檢驗(yàn)照片見圖2。
　　圖2彈條金相組織
　　2.3 硬度測(cè)定
　　采用HR150B洛氏硬度計(jì)測(cè)定斷裂樣品的表面硬度，見表2。測(cè)定結(jié)果表明，彈條硬度符合相關(guān)技術(shù)要求。
　　表2彈條洛氏硬度測(cè)定結(jié)果
　　項(xiàng)目HRC
　　實(shí)測(cè)值42.543.044.043.542.545.045.042.0
　　標(biāo)準(zhǔn)值41～46
　　上述檢驗(yàn)結(jié)果表明，該批次彈條的化學(xué)成分符合GB/T1222-1984標(biāo)準(zhǔn)中的60Si2Mn成分要求；采用三次成型、余熱淬火工藝制造，經(jīng)淬回火后獲得了最佳組織——回火屈氏體，無脫碳現(xiàn)象；表面硬度為42.0～45.0，滿足GB/T 230─1991標(biāo)準(zhǔn)中的彈簧鋼表面硬度要求。彈條質(zhì)量合格，綜合性能良好。
　　3 受力分析
　　該線路通車時(shí)間較短，彈條斷裂時(shí)間集中，鋼軌溫差很小。觀察發(fā)現(xiàn)，彈條斷裂部位均在彈條中肢尾部，斷口處有點(diǎn)接觸的壓痕，斷肢與鐵墊板插孔的接觸狀態(tài)為兩點(diǎn)接觸，見圖3和圖4。
　　圖3彈條斷裂位置圖4斷肢兩點(diǎn)接觸
　　據(jù)了解，受工期影響，該批次彈條安裝進(jìn)度很快，部分彈條插入鐵墊板插孔過長(zhǎng)，出現(xiàn)超限安裝狀態(tài)，特別是發(fā)現(xiàn)斷裂的彈條，基本上都是超限安裝。結(jié)構(gòu)裝配分析表明，彈條插入長(zhǎng)度過長(zhǎng)，將導(dǎo)致其中肢出現(xiàn)下沉，彈程增大。在該批次彈條撤換重新安裝后，同一地段未發(fā)現(xiàn)新的斷裂現(xiàn)象。初步分析認(rèn)為，彈條的實(shí)際安裝狀態(tài)與設(shè)計(jì)存在差異，使得彈條與插孔的接觸狀態(tài)及其彈程發(fā)生變化，從而導(dǎo)致彈條斷裂。為更好的找出彈條斷裂的原因，佐證初步分析的結(jié)論，對(duì)彈條進(jìn)行了有限元應(yīng)力仿真分析。
　　3.1 計(jì)算模型及參數(shù)
　　PR彈條為一復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)，除了承受彎、扭、剪相互作用外，還與鐵墊板插孔、軌距塊發(fā)生擠壓作用，因此采用三維實(shí)體有限單元法分析彈條的受力。采用20節(jié)點(diǎn)等參數(shù)實(shí)體單元對(duì)彈條進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，共劃分為15146個(gè)節(jié)點(diǎn)和9247個(gè)單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)方向的平動(dòng)自由度，模型網(wǎng)格剖分見圖5。
　　圖5模型網(wǎng)格剖分
　　3.2 計(jì)算工況
　　根據(jù)中肢插入長(zhǎng)度、彈程分為兩種計(jì)算工況，筆耕文化推薦期刊，見表3。
　　表3計(jì)算工況
　　工況彈程/mm中肢插入長(zhǎng)度/mm與插孔接觸狀態(tài)備注
　　A14.172～76線接觸設(shè)計(jì)工作狀態(tài)
　　B>14.182點(diǎn)接觸超限安裝狀態(tài)
　　（1）設(shè)計(jì)工作狀態(tài)下，中肢穿入鐵墊板插孔內(nèi)的長(zhǎng)度在72mm至76mm之間，并與插孔呈線性接觸狀態(tài)，彈條趾端的垂向位移達(dá)到設(shè)計(jì)彈程14.1mm，見圖6和圖7。
　　圖6設(shè)計(jì)工作狀態(tài)圖7現(xiàn)場(chǎng)安裝狀態(tài)
　�。�2）超限安裝狀態(tài)下，中肢穿入鐵墊板插孔內(nèi)的長(zhǎng)度達(dá)82mm，超過設(shè)計(jì)允許的76mm，若鐵墊板插孔兩端無R6mm的圓弧，將導(dǎo)致彈條與鐵墊板的接觸狀態(tài)呈斷續(xù)點(diǎn)接觸；同時(shí)彈條插入長(zhǎng)度過長(zhǎng)后，其中肢下沉0.7mm，導(dǎo)致彈條彈程增大，增大量為0.7*（42+55）=1.62mm，見圖8和圖9。
　　圖8超限安裝狀態(tài)圖9超限安裝變形圖
　　3.3 計(jì)算結(jié)果及分析
　　圖10、圖11為PR彈條在兩種工況下根據(jù)第四強(qiáng)度理論計(jì)算得到的等效應(yīng)力分布。
　　（a）整體（b）斷裂截面
　　圖10工況A等效應(yīng)力分布
　�。╝）整體（b）斷裂截面
　　圖11工況B等效應(yīng)力分布
　　從圖6、圖7可以看出：
　�。�1）當(dāng)彈條處于設(shè)計(jì)工作狀態(tài)時(shí)，最大等效應(yīng)力為1127MPa，小于彈簧鋼的屈服強(qiáng)度1200MPa。最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在彈條中肢尾部與鐵墊板接觸點(diǎn)處，彈條中肢與跟端連接小圓弧的應(yīng)力也較大，約為753～877MPa。斷裂截面的應(yīng)力四周大，中間小，表現(xiàn)出扭轉(zhuǎn)受力的特征，彈條表面與鐵墊板插孔接觸點(diǎn)的應(yīng)力又稍大于其他周邊，表明在該點(diǎn)存在一個(gè)較小的擠壓作用。
　�。�2）當(dāng)彈條處于超限安裝狀態(tài)時(shí)，最大等效應(yīng)力為1363MPa，大于彈簧鋼的極限強(qiáng)度1300MPa。彈條在接觸點(diǎn)出現(xiàn)裂紋，隨著列車的反復(fù)通過，裂紋逐漸擴(kuò)大，最終出現(xiàn)斷裂。最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在彈條中肢尾部與鐵墊板接觸點(diǎn)處，中肢頭部與鐵墊板接觸點(diǎn)的應(yīng)力接近最大等效應(yīng)力。與工況A相比，彈條中肢與跟端連接小圓弧的應(yīng)力水平大幅降低，僅為271～540MPa。斷裂截面的應(yīng)力接觸點(diǎn)最大，從接觸點(diǎn)向下快速減小，整個(gè)截面應(yīng)力分布表現(xiàn)為擠壓應(yīng)力特征，并有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

本文編號(hào)：6876